蛋白质化学8-蛋白质的分子构象

四级结构
蛋白质的四级结构
➢ 由多条具有三级结构的肽链通过非共价 键连接起来的结构形式
➢ 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为 寡聚蛋白；
蛋白质的四级结构
➢ 寡聚蛋白中，最小的单位通常称为亚基 或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构 成，无生理活性；
➢ 维持亚基之间的化学键主要是次级键(疏 水作用、氢键、范德华引力）。
肽单位的刚性平面结构
H O H HOH HO
H
H2N
α
C
C
N
CαC N
CαC---------N
R1
R2
H1
Cα-C - N-Cα
R3
在一个平面上
O
HO
CαC OH
Rn
肽单位的刚性平面结构
Cα
H
O C-N Cα
反式
Cα
Cα
C-N
O
H
顺式
由于反式构型的能量比顺式的能量低，所以在蛋白质中 (除含Pro的肽外)，多肽链大部分的肽单位都是反式的结 构。
➢ 球蛋白都有明显的结构层次，即
一级结构---二级结构---超二级结构---结构域---三 级结构---四级结构
➢ 球状蛋白结构具有高度专一和灵活的结构。 每种蛋白质都具有区别于其他蛋白质的独 特的三级和四级结构。在执行功能的过程 中，这些结构可以发生一系列的构象变化， 去实现自己的生理生化活性。
蛋白质二级结构
蛋白质二级结构
➢ 二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方 向排列成具有周期性的结构的构象，是多 肽链局部的空间结构（构象），主要有α－ 螺旋、β－折叠、β－转角等几种形式，它 们是构成蛋白质高级结构的基本要素。
-螺旋
➢ 螺旋样盘卷前进, 3.6 个Aa/螺圈,上升 0.54 nm； Aa间的距离为 0.15nm;
R3
Rn
H
CN
O
肽键键长0.133nm,小于C-N键的键长(0.147nm),比C=N双 键长。所以，肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
肽单位平面结构
➢ 肽平面：在蛋白质或者多肽当中，连接两个氨 基酸的肽键是一个部分双键，不能自由旋转， 因此，肽单位上的六个原子：前后两个α-碳原 子、N-H和C=O在C-N位于一个刚性平面上，形 成稳定的反式构性，它造成多肽链折叠的空间 限制的因素之一。
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HO N CC HR
天然存在的重要多肽
➢ 具有特殊的生理功能的多肽——活性肽。 ➢ 如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；
谷胱甘肽；蛇毒多肽等。
还原型谷胱天甘肽然(G存SH在) 的活氧性化型肽(GSSG)
CO—NH—CH—CO—NH—CH2—COOH
│
│
γCH2 │
CH2 │
γ Glu—Cys—Gly │
βCH2
SH
S
│
│
αCHNH2
S
│
│
COOH
γ Glu—Cys—Gly
2GSH
GSSG
天然存在的活性肽
催产素
升压素
蛋白质一级结构的立体结构原理
蛋白质一级结构
➢ 蛋白质分子中各多肽链的氨基酸残基序的 排列顺序
➢ 共价键：
二硫键 disulfide bond 肽 键 peptide bond
蛋白质中的二硫键
➢ R基团较大时造成空间位阻，如Ile；
➢ 多肽链中有Pro或HO-Pro，α—helix中断，产 生‘结节’kink；
➢ 大量存在Gly时，二面角的Ф与ψ角可以任意取 值，因此也形成不了α螺旋。
β－折叠
➢ 两条或多条几乎完全伸展的肽链通过链间 的氢键交联而形成的。
➢ 肽链的主链呈锯齿状折叠构象
平行式
穴中。
➢ 75%-80%是-螺旋，其余为无规则卷曲。由8个 螺旋段组成。
➢ 血红素处于疏水的空穴中，血红素的Fe2+可以和 4个吡咯环的N原子配对，还与血红蛋白中的His 的 合咪。唑达基到相运配输位和； 储第 藏六O2个的位目置的可。以和O2可逆地结
稳定三级结构的作用力
➢ A.蛋白质的疏水侧链为避开水相，聚集在 一起形成一个疏水内核。由于非极性侧链 的疏水作用，可以使多肽链折叠、盘旋， 从而形成一个内含疏水核、外包亲水壳的 球状的紧密构象。
反平行 式
-折叠
➢ 在-折叠中，R基团处于折叠平面的两侧，两个 AA之间的轴心距为0.35nm；
➢
➢ 肽链主链上羰基碳与氨基上的氢形成氢键；
➢ -折叠有两种类型:平行式，反平行式。
➢ 反平行式比平行的-折叠更稳定，因为它形成的 氢键三个原子几乎在一条直线上，此时氢键力量 最强，所以反平行式的结构更稳定。
➢ 三级结构特定的空间构象是由氢键、离子 键、偶极与偶极间的相互作用、疏水作用 等作用力维持的，疏水作用是主要的作用 力。有些蛋白质还涉及到二硫键。
➢ 如果蛋白质分子仅由一条多肽链组成，三 级结构就是它的最高结构层次。
鲸
肌 红 蛋 白
卟啉铁
肌红蛋白
➢ 分子量为17000。 ➢ 是一条包含153个氨基酸的多肽链。 ➢ 具有一个血红素，位于血红素分子的扁圆盘的孔
➢ B.带正电和带负电的侧链会发生静电吸引， 产生离子键。
➢ C.蛋白质分子中，羰基氧和亚氨基氢原子 等相互作用产生的氢键。
➢ D.两个半胱氨酸的侧链-SH生成的二硫键。
氢键
离子键
蛋白质三级结构的形成
➢ A.蛋白质的一级机构决定蛋白质的三级结 构；肽链的折叠是自发的，至今尚未发现 有控制与指导肽链折叠的指令或密码。
四级结构具有的优越性
➢ 复杂的四级结构可以执行更复杂的功能。
➢ 四级结构可以通过相同或者不同亚基之间的协同作用， 实现对蛋白质功能的调节。
➢ 四级结构可以某些功能蛋白质集合在一起，可以加快执 行效率，避免中间产物的浪费。
➢ 四级结构可以聚合成一定的集合形状，可以执行复杂的 功能。
➢ 球蛋白聚合为四级结构可以适当降低溶液的渗透压。
蛋白质的结构层次
一般认为，蛋白质的一级结构决定二级结构，二级结构决 定三级结构。
肽和肽键
肽和肽键
➢ A.肽（peptide）
AA的α-COOH和AA的α-NH3脱水后形成的化合物称为肽。
➢ B.肽键（peptide bond）
肽 ➢ A.肽（peptide）
AA的α-COOH和AA的α-NH3脱水后形成的化合物称为肽。
蛋白质空间结构的研究方法
➢ 主要方法： ➢ X衍射法(X—ray diffraction method） ➢ 其他方法： ➢ 核磁共振（nuclear magnetic resonance
speefroscopy）, ➢ 圆二色性（circular dichroism）, ➢ 荧光偏振等。
谢谢
肽键带有双键的性质，主链上1/3的键不能自由旋转；这 也是造成多肽链折叠的空间限制的因素之一。
肽单位形成的二面角
影响二面角的因素
➢ 在二肽单位中,Cα－N和Cα－C的旋转会受 到α-碳原子上R侧链的空间阻碍。
➢ 在相邻的两个肽平面上，两个羰基氧原子 之间、两个亚氨基氢原子之间或羰基氧原 子和亚氢原子之间，会发生空间障碍。
➢ Aa侧链向外，螺旋稳 定性靠氢键维系；
➢ Ф=-57o;ψ=-47o ;
-螺旋(α—3.613)
O
H
‖
│
-C-［NH-CαHR-CO-］3 N-
Aa1的酰胺基团的-CO基与Aa5酰胺基团的 -
NH基形成链内氢键。
生物体中大部分-螺旋 是右手螺旋。此螺旋 比较稳定。
-螺旋的不稳定因素
➢ R基团带同种电荷，Lys、Glu、Asp等；
结构域
结构域
在一个蛋白质分子或亚基中，多肽链常折迭 成二个或几个紧实的局部单位，这些彼此分 隔的单位多为紧密的球状构象、彼此分开， 并由松散的肽链相连，这些结构称为结构域。
三级结构
三级结构
➢ 是指整条多肽链通过盘旋、折叠，形成的 由二级结构元件构建成的总三维结构，包 括一级结构中相距远的肽段之间的几何相 互关系,骨架和侧链在内的所有原子的空间 排列 。
➢ MW=5734； ➢ 由A（21个AA，11种），B（30AA，16种）组成，并通过Cys
连结两对-S-S-； ➢ A链第6和11的Cys通过-S-S-连接成链内小环。
肽键的结构参数
H O H HOH HO
H HO
H2N Cα C N CαC N CαC---------N CαC OH
R1
R2
➢ 大多数蛋白质中的-折叠是向右手扭曲的。
-转角
➢ 由四个Aa组成; ➢ 弯曲处的Aa1的 -C=O 和Aa4–N-H 之间形成
氢键，形成一个不很稳定的环状结构(310)。
无规则卷曲
没有一定规律的松散结构，通常酶的活性中心常处在
超二级结构
超二级结构
➢ 超二级结构是介于蛋白质二级结构和三级 结构之间的空间结构,指相邻的二级结构单 元组合在一起，彼此相互作用，排列形成 规则的、在空间结构上能够辨认的二级结 构组合体，并充当三级结构的构件，其基 本形式有αα、βαβ和βββ等。多数情况下 只有非极性残基侧链参与这些相互作用,而 亲水侧链多在分子的外表面。
➢ B.蛋白质的折叠。
蛋白质通过成核---折卷---凝集等过程形成致密的 三级结构。
➢ C.手性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ应。
生物体中氨基酸多为L-型氨基酸; 蛋白质二级结构中-螺旋与-折叠多为向右扭曲。
磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构
膜蛋白质的特殊构象
膜内嵌蛋白的构象
➢ 由于膜内嵌蛋白质镶嵌在疏水的脂质双层 结构中，很多是多个跨膜的-螺旋。与在 水环境中的蛋白质相反，膜内嵌蛋白质的 疏水表面是暴露在分子的表面上的，而亲 水侧链被安排在分子的内部。这有利于蛋 白质分子与脂双层结构的结合。
血红蛋白
四级结构的内容：
亚基的数目——4条 种类——2种 亚基的立体分布——球形 亚基的相互作用——次级键
亚基单独没有生物功能四 亚基两两相同，分别称为 α1 、α2、β1、β2；
血红蛋白的四级结构
❖ 肌红蛋白
血红蛋白α
血红蛋白β
❖ 氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相 似
❖ 结构决定功能
球蛋白分子结构的一般规律
➢ 大多数具有生物活性的蛋白质，都是近似 球形。大多数蛋白质(除膜蛋白外)，将疏 水侧链埋藏在分子内部，形成疏水核，使 多肽链形成致密的球形。亲水性侧链在表 面，形成水合层，使蛋白质溶于水。
➢ 在球蛋白分子或亚基表面上，通常有一个 疏水的裂隙。裂隙的周围分布着很多疏水 侧链。这些裂隙通常是活性部位，能容纳 不同数目的配体。